3D打印建筑材料发展现状和应用研究

杨勇

摘 要：3D打印成型技术是一种高效便捷的新型技术，在很多行业领域中都得到了普遍的应用，而在建筑行业中也不例外。在未来建筑行业发展过程中，3D打印建筑材料将成为了主流方向之一，有必要在当前背景下进行深入的分析。本文先阐述了3D打印建筑材料的相关定义以及目前国内外常用的3D打印建筑材料，接着从多性能材料的融入、建筑产业与3D打印的高度融合、BIM技术与3D打印建筑技术的联动、3D打印建筑技术自身的固化问题四个方面，综合全面的探讨了3D打印建筑材料的具体应用与未来发展。

关键词：3D打印；建筑材料；建筑技术；多性能材料

1 前言

在上个世纪八十年代的时候，3D打印技术就被研发出来并得到了推广使用。在三十多年的发展中，3D打印在世界上很多国家都获得了广泛的重视，并产生了较多可观的经济效益。在我国，3D打印技术在航空、医疗、建筑、食品等各个行业中的应用也非常普遍，促进我国各个行业的技术转型与变革。单从建筑行业来看，3D打印建筑材料虽然具有较强的便捷性，但是其应用层面并不算太深，需要在以后的发展中进行专项的分析，提高3D打印建筑材料技术的实际价值，促进其在建筑行业领域中具有广泛的应用前景。

2 3D打印建筑材料的相关概述

3D打印技术能够在计算机设计的基础上，将一些三维造型直接打印成为模具产品，实现了一体化的生产。在建筑领域中，3D打印的实现主要是在XYZ轴三个方向来进行建筑材料的结构变化，最终能够产生一个完整的建筑模型。其中打印头、龙门架和悬挂杆分别实现了XYZ三轴的运动，形成不同类型的建筑结构。在当前的建筑行业领域中，3D打印的实际应用并不算非常成熟，经常会用于那些低层建筑中。在很多高层建筑或者各项要求比较高的建筑中，3D打印的应用效果还非常有限。但3D打印建筑材料确实是建筑行业未来发展的重要方向，需要在以后进行专项的分析。

3 目前国内外常用的3D打印建筑材料分析

随着3D打印在建筑行业中的广泛应用，国内外建筑行业中都出现了较多的建筑材料，这里主要选择四种应用比较普遍的材料。

第一，硅盐酸水泥基材料。这种材料在建筑行业中本身就是一种用量比较大的材料，而在3D打印领域中也是一种主要材料。但3D打印需要材料具有较快的凝固速度，因此往往会加入一些速凝剂。

第二，硫铝酸盐水泥基材料。硫铝酸盐水泥本身的凝固时间就比较短，并且在强度、抗冻性、抗腐蚀性等多项性能中表现都比较突出，满足了3D打印建筑材料的各项要求。但由于硫铝酸盐水泥的凝固时间过快，在高温季节很有可能还没有施工就已经凝固，因此在使用的时候会适当加入一些缓凝剂。

第三，地聚合物水泥基材料。这种材料主要是有铝、硅的氧化物形成的无机聚合物，而在建筑工程中也可以使用建筑垃圾与矿物废物来进行制作。从这个角度来看，地聚合物水泥基具有较强的环保性，满足我国关于环保节能材料推广使用的相关战略。我国也进行了关于地聚合物材料使用的3D打印实验，开始研究地聚合物水泥基在建筑工程中的各项力学性能，提高其在3D打印建筑材料中的应用空间。

第四，磷酸盐水泥基材料。这种材料凝固的速度比加快，在10min左右就可以完成凝固，在凝固初期就具有较高的强度，非常契合3D打印建筑材料的各项要求。

4 3D打印建筑材料的具体应用与未来发展

4.1 多性能材料的融入

在当今时代的发展过程中，人们对于生态环境的重视程度也在不断变高，希望建筑建设过程中能够用到较多的环保材料。而3D打印建筑材料技术的推广使用则能够较好解决这方面的问题，能够提供一些多性能的建筑材料。目前世界上各个国家3D打印技术在建筑行业中的应用主要在那些低层建筑上，并且在使用过程中也存在一定的局限性。这主要是因为3D打印建筑材料的强度与各项性能还无法得到较好的保证。因此我国如果能够在下一步发展中致力于提高3D打印建筑材料的自身强度与性能，那么就能够较好的改善这些问题，提高这项技术的应用空间。除此之外，环保材料已经成为了当今建筑工程建设所考虑的重要方向之一，因此3D打印建筑材料也应该向着这个方向靠拢，提供一些环保技能的建筑材料。

4.2 建筑产业与3D打印的高度融合

目前我国建筑行业已经趋于产业化，因此3D打印建筑材料技术在应用过程中也应该注意融入建筑行业的产业化。对于建筑行业产业发展来说，需要3D打印建筑材料能够在自身性能和生产技术操作等各个方面跟产业自身具有较强的协调性。我国多数建筑项目工程都属于骨架-框架结构。因此3D打印建筑材料就可以基于这些内容直接形成内部墙体结构，解决建筑工程中常见的材料抗震能力差等问题。在部分建筑工程中，3D打印建筑材料还能够显著优化剪力墙结构的外保温隔热性能，但这个方面还处于试行阶段，无法在所有建筑工程中进行推广使用。因此在未来的发展中，3D打印建筑材料技术的研发与应用应该能够跟建筑产业化发展紧密相连。

4.3 BIM技术与3D打印建筑技术的联动

随着我国建筑行业的不断发展，建筑物形体也变得越来越复杂，建筑设计与施工的难度也在不断变高。在这种背景下，传统建筑技术已经很难完成相关需求，很多新型的建筑技术开始得到研发与应用，比如BIM技术等。在建筑施工过程中，如果能够将BIM技术跟3D打印建筑材料相结合在一起，就能够发挥这两种技术的合力。但想要充分发挥BIM-3D技术的作用与价值，相关技术人员还应该加强对于这两种技术的了解与认识，并且打破两种技术存在的壁垒。在具体应用的时候，技术人员也应该多进行相关实验，明确联动技术的应用效果，并进行针对性的改善与调整。这样以后，3D打印建筑材料就能够跟建筑行业中的其他新型技术产生正向的结合效果，实现不同技术的联动。

4.4 3D打印建筑技术自身的固化问题

3D打印建筑材料在实际应用中也存在较多的问题，其中最为突出的就是材料自身凝固硬化速度问题。具体来讲，材料的凝固硬化速度跟温度因素有非常显著的相关性，因此在不同季节也应该有针对性的是施工方案。通常来说，在春季、夏季和秋季三个季节中，材料都可以正常凝固而不需要进行额外的设置。但在冬季的时候，技术人员应该根据环境温度来调整各个原料的配合比，保证最终材料能够正常凝固硬化。这就需要技术人员能够明确温度跟材料凝固硬化速度之间的数学关系，做好调整协调工作，保证3D打印建筑材料的实际应用效果。

5 结束语

在建筑行业领域中，3D打印建筑材料技术目前正处于研究应用的初级阶段，能够打印出一个结构相对简单，并且强度和性能要求不高的建筑材料。但面对于整个建筑行业中各个建设项目来说，这种应用层次明显是不够的。因此在下一步的发展中，我们应该继续探究3D打印建筑材料技术的深入应用，并且可以多开发一些节能环保的材料，提高其应用价值。对于各个建筑技术人员来说，在平时的时候也应该多关注3D打印建筑材料技术，并将其与BIM技术等其他各类现代化技术联动在一起，提高其在建筑行业中的应用效果。

参考文献：

[1] 宋尚霖，赵千，汪林兵.3D打印建筑技術的发展及其材料结构—智能一体化展望[J].中外建筑，2015（9）：110～112.

[2] 殷浩轩.3D打印建筑材料相关概念辨析[J].科技风，2017（23）：103.